综述

国土空间开发适宜性评价的理论、方法与技术应用

  • 刘小波 , 1, 2, 3 ,
  • 王玉宽 , 1, * ,
  • 李明 1
展开
  • 1.中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所,成都 610041
  • 2.内江师范学院地理与资源科学学院,内江 641100
  • 3.中国科学院大学,北京 100049
*王玉宽(1963—),男,四川成都人,研究员,主要从事山区可持续发展研究。E-mail:

刘小波(1990—),男,四川资阳人,博士生,主要从土地资源开发与评价研究。E-mail:

收稿日期: 2021-01-21

  要求修回日期: 2021-03-16

  网络出版日期: 2022-02-25

基金资助

中国科学院战略性先导科技专项(A类)子课题(XDA23090501)

中国科学院西部之光B类人才项目(Y9R2140)

版权

版权所有,未经授权,不得转载、摘编本刊文章,不得使用本刊的版式设计。

Theory, Method and Technological Application of Territorial Spatial Development Suitability Evaluation

  • LIU Xiaobo , 1, 2, 3 ,
  • WANG Yukuan , 1, * ,
  • LI Ming 1
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  • 1. Institute of Mountain Hazards and Environment,Chinese Academy of Sciences,Chengdu 610041,China
  • 2. College of Geography and Resources Science,Neijiang Normal University,Neijiang 641100, China
  • 3. University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China
*WANG Yukuan, E-mail:

Received date: 2021-01-21

  Request revised date: 2021-03-16

  Online published: 2022-02-25

Supported by

The Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences(XDA23090501)

The “Light of West China” program of the Chinese Academy of Sciences(Y9R2140)

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摘要

国土空间开发适宜性评价既是长期人地关系优化调控研究领域的重要研究内容,也是当前各层级国土空间规划编制的重要基础工作。该文运用文献调研、总结、对比分析等方法,围绕国土空间开发适宜性评价的概念内涵、演进历程、评价方法以及技术手段等方面进行综述,指出现有研究存在的不足与仍需深入研究的领域和方向。主要结论如下:① 当前国土空间开发适宜性评价已具有较为丰富的研究案例,但对国土空间开发的多目标协同评价关注不够,评价指标体系的精细化程度不足,多尺度综合研究存在短板;基础信息数据尚难满足全域、全要素、全时相的评价要求;地球信息技术支撑“智慧评价”的能力不足;② 未来应进一步加强国土空间开发适宜性评价基础理论研究,深化对评价内涵的理论认知,构建指标独立、系统高效的评价体系;丰富多尺度适宜性评价案例,重视区域发展定位,关注区域发展的特殊需求和产业优势,提升评价指标体系的精细化水平;紧跟“智慧社会”建设步伐,加强地球信息技术与物联网、大数据、云计算等新兴技术的融合应用,促进国土空间多源大数据的制定与适宜性评价体系的有效衔接,为实现“智慧评价”提供有力的技术支撑。

本文引用格式

刘小波 , 王玉宽 , 李明 . 国土空间开发适宜性评价的理论、方法与技术应用[J]. 地球信息科学学报, 2021 , 23(12) : 2097 -2110 . DOI: 10.12082/dqxxkx.2021.210037

Abstract

Suitability evaluation of territorial space is the premise and basis for scientific territory space planning, transition of territory space governance mode and creation of high-quality territory spaces. It is of important significance to optimize the development and protection pattern of territory space and perfect subjective functional orientation of regions. Based on literature review, summary, inductive and comparative analysis, this study reviewed conceptual connotation, development course, evaluation units, evaluation index system, evaluation method, modern technologies and application framework of suitability evaluation of territory space development. It pointed out shortages of existing studies and it suggested to deepening research fields and directions. At present, the theory and practice of suitability evaluation of territorial space have made great breakthrough, and the evaluation index system has formed a more comprehensive system, and the evaluation methods show a trend of diversification. Although many studies have discussed suitability evaluation of territory space development, there are inadequate attentions to multi-objective collaborative evaluation of territory space development. Specifically, it fails to achieve satisfying results in refining of evaluation index system, multi-scale comprehensive study and intelligence level of evaluation methods. The firstly, the construction of the index system is lack of uniformity and standardization. Different studies are based on different goals and perspectives, and the index systems constructed are obviously different. Different scholars have great differences in the evaluation of the same area, which affects the objectivity of the evaluation results. The basic information data can not meet the evaluation requirements of the whole area, the whole element and the whole temporal phase. The ability of Geo-information science and technology to support "smart evaluation" is insufficient. Secondly, in the existing studies, the micro scale evaluation is the majority, the macro scale evaluation is less, and the multi-scale comprehensive evaluation research is very rare. Finally, there is a lack of integration and application of existing evaluation methods for the suitability of territorial space development with intelligent frontier technologies such as spatiotemporal big data, cloud computing, unmanned aerial vehicles, Internet of Things, and 5G network, and there is a huge space for future mining. In future, we need to do well in the following aspects. The firstly, it is suggested to carry out more multi-scale suitability evaluations, promote the integration, transformation and transmission of multi-scale evaluation. Secondly, improve standardization and refining of evaluation index system. Attach importance to the positioning of regional development, pay attention to the special needs and industrial advantages of regional development. In addition, follow the pace of "smart society" construction closely, strengthen the integration and application of earth information technology and Internet, database, cloud computing and other emerging technologies, promote the formulation of land and space multi-source big data and the effective integration of suitability evaluation system; couple GIS, remote sensing and big data to carry out information mining, and provide strong technical support for "smart evaluation".

1 引言

无序、过度、分散的国土空间开发与利用方式,引发了自然资源浪费、生态系统退化、环境承载过度等链式反应[1],成为高质量发展的严重阻碍。国内外诸多国土开发案例实践证明,高品质国土空间是人民群众美好生活需要的必备人居环境,更是国家经济高质量发展的有力支撑[2,3],通过塑造高品质国土空间,能够实现开发与保护、竞争与持续、保障与发展的良性耦合[4,5]。具有前瞻性、科学性、系统性的国土空间规划是塑造高品质国土空间的关 键[6],而科学、准确的国土空间开发适宜性评价则是实现这一关键的前提和基础。作为国土空间格局优化的基础工作,国土空间开发适宜性评价理所应当地成为实施生态文明建设国家战略的“先手棋”。在此背景下,国土空间开发适宜性评价同时受到政府部门和科研学者的双重关注,地理学、土地科学、管理学、规划学等多个学科领域的相关学者就评价理论、评价指标、评价方法等开展了广泛研究,积累了丰富的研究案例。2017年,《省级空间规划试点方案》[7]明确了国土空间开发网格化适宜性评价的要求;2020年,自然资源部印发《资源环境承载力和国土空间开发适宜性评价指南(试行)》[8](简称《指南》),指导各地开展资源环境承载力和国土空间开发适宜性评价(简称“双评价”)工作,将国土空间开发适宜性评价明确为政府行为。
评价理论与方法的科学性及应用的开放性,是决定国土空间开发适宜性评价工作的核心内容。目前,在评价的基础理论[9]、评价指标[10]、评价方法[11]等方面均有较为丰硕的成果产出。然而,如何选用并集成科学评价方法,进一步提升评价的精确性与针对性?“双评价”如何高效关联融合,从而更好地发挥在国土空间规划中的基础价值?地球信息科学技术如何有力支撑评价的智慧化进程?这些现实需求仍是当前国土空间开发适宜性评价研究面临的重要课题。基于此,本文梳理国内外相关文献,综述国土空间开发适宜性评价的基础内涵、演进历程、评价方法、技术手段等内容,分析研究现状及存在问题,探讨未来研究重点与解决思路,以期进一步丰富国土空间开发的理论、方法与技术体系,为完善国土空间开发适宜性评价方案,塑造高品质国土空间提供参考和借鉴。

2 适宜性评价的理论内涵及演进历程

2.1 理论内涵

随着人们对空间概念的认知深化,国土的结构由平面上升为三维空间,从而衍生出国土空间的基本内涵,进一步凸显空间结构和尺度特征。总的来说,国土空间的内涵应包括3个方面:① 要素特征,是资源、环境、人口、经济的集成复合系统;② 政治内涵,强调国家的管辖和治理;③ 地域空间属性,强调区域特征和空间结构。党的十八大将“优化国土空间开发格局”作为生态文明建设的首要任 务[12],土地资源的概念应国家和区域发展需求,在叠加主权管辖、战略导向、生态保护、资产增值等功能后,向国土空间内涵转变[13]
最早的土地评价仅针对农业用途,同时期的承载力评价主要关注资源的供应能力。随着城镇化进程的加快,评价范围逐渐向城镇建设扩展,区域的资源、环境、生态、灾害等相关内容越来越受到关注[14],这些内容与资源环境承载力评价的核心内容体系、用途基本相似,是广义国土空间开发适宜性评价内涵的组成部分。与此同时,资源环境承载力评价逐渐成为独立的研究领域,核心内容是如何支撑国土空间规划编制及提供规划实施的监测预警手段,即资源环境承载能力监测预警[15,16,17]。新时期,围绕“生态文明”与“高质量发展”目标,国家积极推动国土空间规划体系重构[18,19],厘清适宜性评价与资源环境承载力评价的关系,并明确通过承载力与适宜性一体化评价支撑国土空间规划编制[20,21],由此便形成了“双评价”内涵与机制(图1)。在《指南》[8]中,资源环境承载力评价被认为是对特定时期一定地域范围内生态环境与自然资源要素条件的综合评价,反映资源环境要素支撑农业生产、城镇建设等人类活动的最大合理规模,而国土空间开发适宜性评价则是在综合考虑资源环境要素条件的基础上,对特定国土空间进行农业生产、城镇建设等人类活动的适宜性程度的评价。由此可见,“双评价”并非2个评价之间的简单相加,资源环境承载力评价是国土空间开发适宜性评价的基础,无论是理论逻辑还是实践探索,二者之间都存在“承载力定规模,适宜性定空间”的关联逻辑与系统耦合关系。综上,《指南》[8]中的国土空间适宜性评价是指在考虑资源环境等要素的前提下,特定国土空间用途的适宜程度,是剥离资源环境因素后形成的狭义内涵。为便于全文整理与论述,本文使用广义的国土空间开发适宜性评价含义(包括资源环境评价与开发适宜性评价),阐述其研究进程及方法应用。
图1 国土空间开发适宜性评价演进过程

Fig. 1 The evolution process of territorial spatial development suitability evaluation

2.2 研究演进历程

伴随人类悠久的农业发源历史,土地适宜性评价思想及实践由来已久。近代以来,土地适宜性评价经历了由理论向制度、由行业向系统、由人工向智能的转变。按照理论发展、评价内容与地球信息技术应用的演进历程,具体可分为以下几个阶段:
(1)初始评价时期。“国土空间”(Territorial Space)一词在国外一直很少用于适宜性评价工作中,而土地评价(Land Evaluation)则使用广泛。上世纪初,McHarg[22]采用分级手工绘图并叠加图像的方式,获取适宜性分级图,开启了现代土地适宜性评价研究的序幕。20世纪30—60年代,以农业用地的分类定级和潜力测算为核心内容的土地评价工作陆续在英国、美国、德国、荷兰等西方国家开展。同时期国内土地评价主要目的是为农林业发展服务,荒地调查是土地评价的主要内容[23],人工测量与定级是主要技术手段。
(2)体系形成时期。1976年,联合国粮农组织(FAO)公布的《土地评价纲要》[24],为各国开展土地评价搭建了基本参考框架[25]。此后,各国参照纲要建立起本国的评价体系。该时期,GIS作为一种新的技术手段,以存储和辅助制图的方式开始被应用于土地适宜性评价[26]。该技术以数字矩阵模式将评价模型存储于计算机,突破了手工操作的局限,能够处理海量数据,并能合成各独立区域的评价结果,特别是哈佛实验室在其研发的GRID和SYMAP系统中定制了系列土地评价及分析模块,为提升土地评价的科学性和广泛性奠定了技术基础[27,28,29]。1981年,美国农业部土壤保持局成功开发“土地评价和立地评价系统”(LESA),融合农业生产能力、土壤质量、公共价值、发展压力等因素综合评定农用地重要性,开启了土地适宜性综合评价的新模式[30]。我国参照纲要内容,陆续开展土地评价工作,《中国1:100万土地资源图》[31]编制完成,逐步建立起符合我国国情的土地评价体系。
(3)系统发展时期。20世纪90年代,全球土地退化不断加剧,国外学者对土地适宜性评价的研究更多侧重于重新构建指标体系,其中以1995年FAO、世界银行和UNDP共同发起建立的土地质量指标体系(Land Quality Indicators, LQI)影响最大[32,33]。国内大尺度土地评价、区域土地评价、地方性土地评价进入探索阶段,研究领域从综合的大农业评价向农、林甚至单作物的土地评价拓宽,土地评价的行业化趋势明显,旅游用地评价[34]和城市土地经济评价[35] 2个领域最为突出。技术应用方面,“适宜性”概念和数学计量、遥感数据产品开始用于评价工作中[36],尤其是多指标决策(MCDM)与GIS的集成应用[37,38],借助GIS的空间分析模块,使得空间与非空间数据得到整合并进行多指标综合判定,极大地提高了传统叠加制图技术在土地适宜性评价领域应用的深度和广度。同时,随着组件式软件技术与互联网技术高速发展,诞生了WebGIS并被用于开发针对特定目标的土地适宜性评价的软件模块[39],提高了土地适宜性评价针对性。此外,随着地理空间数据与评价要素愈加丰富,单文件方式已不能满足评价需求,空间数据库应运而生[40],为适宜性评价提供了便捷的数据存储与管理方式。
(4)综合评价时期。进入21世纪后,面对在国土空间开发中暴露出自然资源浪费、生态系统退化、环境承载过度等新问题,各国期望通过更加完善的国土空间规划重新安排人口和经济活动,以追求高质量、高竞争力的国土空间利用。如欧盟2007年发布的《欧盟国土议程》[41],以促进区域均衡发展及竞争力提升为目标;2016年德国发布的《德国空间战略规划》[42],从追求代内/代际公平向提升核心竞争力转变。国内土地资源内涵向国土空间转 变[43],并伴随空间规划体系的重构,适宜性评价明确分化为“双评价”,并以制度化方式被正式提出,赋予其生态文明建设的内涵和要求[44],全域、全要素、全空间的系统化评价思想在实践中得以充分体现。技术层面,“3S”技术在评价中交互使用,促进了准确定位、过程分析与动态监测紧密结合,空间变化模拟成为评价结果解释及未来趋势预测的重要手段[45]。高精度的遥感数据产品、影像库、专题信息库等数据形式融合到评价过程中[46],使得评价与制图结果更符合实际。与此同时,人工智能对适宜性评价的支撑促进作用明显。模糊逻辑、遗传算法、神经网络、元胞自动机等技术借助GIS平台在评价中得以应用[47],有效克服了传统评价在过程模拟、复杂系统描述、推理及评价决策方面的缺陷,提升了地理空间信息提取和要素特征理解能力,适宜性评价向智能化方向迈进。

3 适宜性评价的方法

评价方法的选择与使用直接影响评价结果的科学性。国外评价方法的改进追求严谨性、实用性和便捷性,强调评价中公众参与的过程。国内评价方法的研究一方面重视评价尺度的合理选择,提升尺度传导的通畅性,从而便于行政层级管理与横向比较。另一方面,以提升评价科学性为目标,关注不同目标、用途、区域限制下评价指标体系的构建,以充分反映区域开发承载能力及适宜性结果。

3.1 适宜性评价的尺度选择

自然单元与行政边界在空间上的错位,导致评价结果支撑规划应用难度较大,以自然单元作为评价区域的研究相对较少。受国家行政管理模式的影响,非自然的评价单元可分为行政单元和经济单元2类。① 基于行政单元的适宜性评价尺度可分为国家级、省级、市(州)级和县级,其中县域尺度最为常见,乡镇和行政村级别的微观尺度评价因项目投放和典型意义不足,鲜有单独涉及。宏观尺度的评价(国家级)主要涉及主体功能区划的编制,关注的核心是粮食安全、生态安全等宏观战略问题,资源环境承载力评价结果对宏观决策更具支撑性[48]。中观尺度(省市级)的评价主要考虑上下级的衔接,同时需要反映区域自然本底特征,重点关注交通、GDP、人口等社会经济及政策。如车冰清等基于经济社会发展、交通可达性和生态约束 3方面,评价江苏省空间开发适宜性[49];迪力沙提·亚库甫等[50]从粮食安全、生态安全、地质安全和建设保障4个维度识别显著影响约束因素,对青海省国土开发适宜性进行评价。微观尺度(县乡级)的评价涉及单元范围不大,核心目标是保障高层次战略和“蓝图”的落地,关键是体现区域开发的独特性[51]。值得关注的是,受当前生态文明建设举国战略的影响,在各级行政单元的适宜性评价中,水源涵养、水土保持、生态景观等测度生态环境保护的要素愈受重视,部分地区甚至被作为限制性条件。② 基于经济单元的适宜性评价尺度。经济带、经济区、城市群作为特殊的地域单元,是国家或区域重点优先发展的区域,国土空间开发的主要目的是支撑区域最大程度地释放经济增长潜力。经济带和城市群一般地域面积较大,属中宏观尺度的研究。适宜性评价侧重于考察区内资源禀赋、产业结构、政策优势等社会经济因素与国土空间开发的匹配关系[52]。经济区相对经济带地域面积更小,大多位于同一省级行政单位内,属微观尺度的评价,同一经济区内资源环境条件相似,评价侧重反映开发潜力[53]

3.2 适宜性评价的指标设置

评价指标是适宜性影响因素的具体表达,指标体系的合理构建,是适宜性评价应用的关键步骤,直接影响适宜性评价结果的准确程度。评价指标的选取既要尽可能全面地反映评价地域单元的本底特征,还应考虑各影响因素的相对独立性与不可替代性。根据《指南》[8]要求,对国土空间按照生态、农业及城镇3类功能指向开展评价。为此,基于国土空间的“三生”功能视角,对评价指标体系进行归纳总结(表1)。① 生产功能可分农业生产功能和工矿业生产功能,基于农业生产功能的适宜性评价指标侧重于反映国土空间的自然属性。基于农业生产功能的适宜性评价重点考虑国土空间的宜农潜力,地形、坡度、水源距离、地块连片度、灾害危险性等指标常被应用。基于工矿生产功能及矿区复垦的开发适宜性评价,以地质条件(塌陷)、环境污染、交通条件、生态安全等方面为准则层构建相应指标体系[54]。② 基于生活功能的评价包括城镇生活功能与乡村生活功能两类。城市建设空间的开发适宜性评价指标更多考虑社会经济、政策因素,准则层包括交通设施、产业发展、耕地红线、城镇扩展趋势与规划方案等[55]。乡村生活空间开发适宜性评价的核心在于农村居民点建设的适宜性评价,其指标体系侧重于考虑生活的便捷程度,度量指标包括公共管理和服务水平、距各级道路距离、距中心城镇距离等[56]。需要指出的是,风景名胜设施用地按照功能分类属于半生活功能用地,针对旅游用地的开发评价指标自成体系,资源禀赋、区位条件是重要的考察变量,指标包括距各级道路距离、路网密度、距生态保护区距离等[57]。③ 基于生态功能指向的适宜性评价。国土空间开发对生态功能负面影响的最小化是适宜性评价的基本原则,对于优化国土空间开发格局具有重要意义。在评价中,生态功能分为生态重要性(服务功能)和生态敏感性(脆弱性或易损性) 2个方面。基于生态重要性的评价指标主要反映国土空间的生态服务功能,如植被覆盖率、湿地面积比重、水源涵养功能、水土保持功能等[58]。生态脆弱性的评价指标更多反映国土空间开发可能带来的生态环境风险,如水土流失敏感性、石漠化敏感性、地质灾害等[59]
表1 基于国土空间三生功能的适宜性评价指标差异性特征

Tab. 1 Evaluation index of suitability for territorial space development

一级类型 二级类型 代表性评价指标 评价重点
空间功能 生产功能 坡度、地形起伏度、地质条件(塌陷)、地块连片度、灾害危险性、基本农田保护 宜农条件、政策约束
生活功能 公共管理与服务水平、距各级道路距离、距中心城镇距离、 经济效益、区位条件
生态功能 生态用地比例、植被覆盖率、湿地面积比重、水源涵养功能、水土流失敏感性 生态重要性、生态敏感性

4 地球信息科学技术在适宜性评价 中的应用

地球信息科学在适宜性评价中的应用,主要依赖其快速和大范围的获取、存储和分析空间信息的能力。在物联网、人工智能、大数据及云计算等新兴信息技术的推动下,以“3S”技术为核心的地球信息科学技术在支撑服务适宜性评价方面呈现出智能化、全域化、实时化的特点,主要表现在基础信息供给、GIS及平台技术应用、智慧评价技术开发等方面(图2)。
图2 地球信息技术在适宜性评价中的应用框架

Fig. 2 The application framework of Geo-information science and technology in suitability evaluation of territorial spatial development

4.1 适宜性评价的基础信息供给

遥感影像产品及GIS基础地理数据库为国土空间开发适宜性评价及规划提供了基础地类及要素矢量信息,有力地支撑了适宜性评价高效化、信息化和现代化进程。① 遥感数据产品供给。卫星遥感革命性地改变了人类对地观测的方式,能够高时效、全方位地提供国土空间动态监测的海量观测数据[60,61,62],尤其是对土地利用/土地覆被数据的监测获取,技术路线成熟,算法丰富,精度日渐提升。同时,对遥感影像数据的定性与定量分析,能够为区域适宜性评价提供环境监测评估、生态安全评价、自然灾害监测预警、土地变化模拟等多维度的数据产品,成为评价过程的重要数据来源。② GIS基础地理数据库构建。地类、地形、交通、地名等基础地理数据集产品是适宜性评价的重要信息基础。通过GIS平台构建的地理信息数据库可以存储与处理海量的空间与属性数据,能够克服传统土地普查几何粒度粗,更新周期长,调查成本高等问题[63],在反映位置坐落、空间关系、权属属性等方面的优势给予了评价人员清晰的信息表达结果。同时,GIS强大的数据处理与数据分析功能,为从海量数据中提取关键有效信息提供了技术支撑。然而,国土空间基础信息要素多元、来源复杂、尺度多样,造成部分信息权属不清、边界重叠、更新缓慢[64],区域土地利用、地理空间数据往往只能满足单个部门、某种专题的评价需求。加之数据量大,分类语义存在差异,尺度传递不畅等问题,导致多源数据融合难度大,跨区域、跨部门、跨行业的评价应用难度较大[65]。面对新时代全域、全要素、实时动态的评价要求,集成跨领域、多尺度、全时相的多源国土空间数据库,攻克数据融合、尺度转化、影像互补等技术难题,形成国土空间评价与规划“一张图”,是当前国土空间开发适宜性评价基础信息建设的当务之急。

4.2 基于GIS的适宜性评价技术应用

(1)基于GIS的要素叠加评价。为突破手工制图数据处理的极限,哈佛实验室开发了GIS辅助叠加制图技术,其核心思想在于将不同的评价要素图层进行叠加分析[66],最后形成一个综合评价图层。为克服简单叠置评价中要素之间相互关系割裂明显,难以实现对整体复杂环境的定量描述等问题,基于GIS的多因素加权综合叠置应运而生[67],其改进之处在于运用加权求和或布尔运算,将自然、环境、生态、社会经济等不同量纲因素的重要性重新分配并逐级归并集成[68]。此外,限制因子评分(又称“反规划评价”或“损益分析”),也属于GIS综合叠加分析的一种,其思想类似于“木桶原理”,即用生态环境、地形地貌、政策红线等要素作为减分要素,从而实现适宜性评价[69]
(2)基于GIS环境的指标决策。借助GIS强大的数据存储、处理和分析能力,在GIS环境中将地理数据与决策者偏好进行整合,衍生出可选择决策线性数值的能力。按照数学规则在适宜性评价过程中发挥作用的阶段,可分为多准则决策和多目标评价两类。多准则决策包括多属性值理论、有序加权平均、灰色关联、加权线性组合等[70]。这些技术能够根据对准则的设置,在GIS中生成不同的适宜性评价结果,供决策者参考,但各指标阈值需要统一设置,无法度量距离衰减的问题[71]。多目标评价是通过定义多个目标函数及约束集,借助决策模型将多目标转化为单目标过程,用标准线性技术来完成评价,情景模拟是其典型。这类技术由于从目标入手,设置未来发展目标情景,更接近评价实际,对于优化国土空间格局具有很好的应用价值。
(3)基于GIS的评价空间信息表达。① 研究人员或运用GIS对评价要素及结果进行空间刻 画[72],或构建GIS格网模型解决评价单元粒度粗糙的问题[73],或调用GIS空间分析模块,模拟适宜性限制条件下地类变化趋势,并分析其空间联系、集聚扩散以及其他异质性特征[74]。② 为克服高精度数学模型对国土空间过程信息揭示不足的问题,研究者通过GIS平台开展邻域分析、最小阻力模型、蚁群算法等技术尝试,模拟国土功能的适宜性变化过程。邻域分析的核心是由中心栅格和环绕栅格数值生成邻域统计量,在确定国土空间开发类型方面具有明显优势,但中心栅格状态的转换规则由于过度依赖专家知识而难以确定[75]。最小累积阻力模型从“源”—“汇”的转换关系出发,构建同质或异质模型,从而在空间上反映开发建设的重要性综合指数[76]。蚁群算法在考虑全局性目标与空间约束的基础上,有效地解决了基于空间尺度的适宜性评价组合优化问题[77],全局寻优性能良好,且能够实现国土空间开发适宜性模拟,未来应用前景广阔。
(4)GIS评价系统开发。研究者主要将软件开发设计与GIS技术结合,开发适宜性评价软件。其中,Rossiter等开发的自动土地评估系统(ALES),通过提供结构化的数据输入环境,用户可在其中构建自己的土地评估模型,因其较高的灵活性使用广泛[78]。适宜性评价软件的开发,实现了知识的集成与共享,对于提高适宜性评价的针对性和有效性具有实践价值。然而,GIS评价系统开发因涉及领域广、技术难度大、开发成本高等因素很少在实际工作中得以应用。

4.3 面向未来的智慧评价技术开发

(1)基于人工智能算法的评价精度训练。人工智能是对人类头脑的模拟、延伸与扩展,已成为信息科学技术的前沿与制高点。国土空间开发适宜性评价不仅需要考虑影响因素的数理量化问题,更需要大量的经验判断、空间关联、过程模拟及智能决策,而人工智能技术是处理这一问题的有效路径。目前主流技术包括模糊逻辑、神经网络、遗传算法等。基于GIS平台的模糊隶属度形成了一种适宜性模糊分等方式,通过定义没有明确边界的集合,进行模糊数学综合评判,能够提供更加清晰的评价结论[79]。基于GIS的人工神经网络(ANN),其优势在于能够通过样本训练—迭代—收敛,使运行精度不断逼近连续函数,从而提高评价结果精度[80]。其中,BP神经网络在国土空间开发适宜性评价中应用最为广泛,其缺点是存在过度训练,运行真实数据的效果有待提升[81]。基于GIS的适宜性评价遗传算法(GA),其科学原理在于模拟自然进化过程来搜索最优解,在大尺度的空间范围搜索组合方面优势明显,缺点是不能有效论证最优解的精确度。基于人工智能算法的GIS评价应用已有较多探索,应用前景广阔,但这类技术对数据精度要求高、运算程度复杂,空间关系割裂明显,仍需进一步优化。
(2)地球信息技术支撑的评价基础信息挖掘。近年来,遥感信息提取向人工智能方向迈进,神经网络法、面向对象法、支持向量机法、决策树分类等技术手段为国土空间信息自动分类提供了有力支撑[82,83]。然而,传统的静态数据越来越不能满足日益多元化、高精度的评价应用需求,加之地理空间大数据挖掘技术还未充分发挥其潜力,导致多源大数据整合程度有限,关键有效信息提取效率不高,尤其是镇村级基础信息供应障碍明显。以互联网、人工智能、大数据、云计算等为核心的全新信息技术的发展与应用,为地球信息技术的发展提供了机遇。一方面,应进一步提升遥感影像、无人机航拍等传统地球信息技术手段对国土空间客观信息的监测能力,提升对地识别精度及时序信息一致性,充分挖掘所有可用时间序列数据,为创新LUCC制图提供关键的前沿技术,从数据源的角度提高适宜性评价的精度。另一方面,耦合RS与GIS技术开展信息挖掘、储存、计算及融合,注重人地关系信息的揭示[46],实现从提供土地覆盖数据到国土空间综合信息获取的转变,更好地满足适宜性评价及国土空间格局优化需求。
(3)适宜性评价大数据生成与应用。目前,大数据在国土空间规划[84]、空间治理决策系统[85]、现代城市规划[86]等方面的理论架构与实践案例已有成果报道,尤其在城市研究与规划实践中出现大数据应用热潮,为自然资源大数据、社会经济大数据、国土空间规划等多源大数据的形成及技术应用提供了新的思想路径和实践参考[87]。大数据的应用能够充分考虑国土空间、社会经济要素及人类活动之间的变化关系,实现对国土空间复杂非线性特征的描述,在综合测算生态景观指数、地块连片程度、城镇斑块集中度等方面的多维综合优势凸显[88]。集成适宜性评价的大数据,能够提高物质空间与活动空间的匹配程度,最大程度满足全域、全要素、精细化的适宜性评价需求。但总体来看,现有适宜性评价大数据获取和处理技术仍存在数据有效性、冗余处理、剥离等方面的技术盲 点[89],整合共享存在较大难度。评价要素交汇、信息交融、空间交叉的数据综合体尚未形成,使得模拟与分析要素受阻[63],大数据支撑适宜性评价能力尚显不足。未来,应进一步紧跟“智慧社会”建设的技术创新步伐。一方面,充分利用最新的地球信息技术成果,促进国土空间多源大数据的制定与适宜性评价指标体系的有效融合;另一方面,充分利用摄像头、传感器、无人机(车)、智能路灯、穿戴设备、手机信令等智能工具或平台,全面采集和融合社会感知数据,统筹构建资源环境、开发建设、社会经济等多源数据库[65],突破对于国土系统社会经济属性描述的技术瓶颈,驱动适宜性评价大数据的生成与应用,为智慧评价提供更为科学的技术支撑。

5 评述与展望

5.1 研究评述

综观已有研究,不同学科领域的学者针对不同地域类型、不同空间尺度、不同开发目标开展了大量的评价案例研究,指标体系呈现系统化、多样化、精细化趋势,评价技术手段智能化、科学化特征明显。这些研究对于揭示不同尺度的空间地理过程、推进国土空间开发有序性和可持续性具有启发和指导意义。然而,随着国土空间开发适宜性评价实践需求的改变,也反映出了一些新的缺陷和不足。
(1)对国土空间开发的多目标协同评价关注不够。多功能性是土地的本质属性,这在根源上决定了其开发利用的多目标性,加之国土空间系统内部的复杂性和独特性,使单目标评价方法难以全面地反映国土空间的功能适宜类型和程度,这无疑影响了评价结果的整体性、系统性和针对性。已有研究对国土空间地域功能理论的基础作用认知不够深入,多针对国土空间的单一开发目标(如生态保护、农业开发、城镇建设等)评价其适宜程度,缺乏多目标协同评价案例,基于国土空间多目标协同的综合评价方法还有待进一步丰富和完善。
(2)多尺度综合评价方法亟待加强。跨尺度的国土空间开发对于促进区域均衡发展、物质信息流通具有重要意义。同时,跨尺度的国土空间地域功能识别是主体功能实现层级传递,保持功能完整性的客观要求。已有研究中以微观尺度评价居多,宏观尺度评价较少。实践中,“双评价”结果在不同层级规划中尺度性考虑不足,存在一种评价单元对应多个尺度评价需求的问题,导致传导机制存在障碍。今后应更加关注不同尺度空间的评价方法及应用研究,厘清“双评价”之间的内在关系,明确二者之间的逻辑关联,构建不同层级评价的有效传导及反馈机制,实现主体功能传导和有序性控制,保持国土空间战略布局的导向性与方向性。
(3)评价指标体系的精细化程度不够。由于地理环境的复杂性和区域差异性,评价指标体系的构建历来是国土空间适宜性评价的难点。① 指标设置的合理性与等级划分的科学性亟待加强。《指 南》[8]的发布对于提升“双评价”的规范性起到了引领和约束作用,但由于评价区域资源禀赋的差异,指标普适性仍有提升空间,且等级判定与划分存在难度,即便是同一指标,在不同区域阈值设定明显不同。例如将累计水源涵养量最高的前50%区域确定为水源涵养极重要区,东西部、南北方难以科学把握其修正范围,影响了评价结果的客观性和可比较性。② 指标的针对性与适用性尚需进一步强化。已有评价指标体系多立足农业发展、城镇建设和生态保护3个维度,对于区域发展定位、特色产业和特色经济发展等方面的考虑还有待深化。未来,应在充分反映区域开发条件的基础上,科学构建系统化、差异性的评价指标体系及分级标准,提升评价结果的科学性和可比较性。
(4)评价技术的智慧化水平有待提升。遥感监测及解译方式、GIS技术、人工智能及专业评价软件的应用,极大地提升了国土空间开发适宜性评价的精度和效率。但现有地理空间数据仍存在权属不清、边界重叠、更新缓慢、精度不高等问题。区域土地利用分类语义存在差异,尺度传递不畅,多源数据融合难度大。人工智能算法融入适宜性评价仍面临数据精度、运算难度、空间相关度等应用难题,尚难全面满足全域、全要素、全时相的评价要求。适宜性评价大数据获取和处理技术仍存在数据有效性、冗余处理、剥离等方面的技术盲点。国土空间信息动态监测、社会经济数据感知、人类活动信息挖掘的技术体系尚未形成,地球信息技术还难以支撑“智慧评价”的现实目标。

5.2 展望

(1)加强对国土空间开发适宜性评价的基础理论研究。国土空间开发适宜性评价以人地关系理论和地域功能供需理论为逻辑起点,追求人类需求和自然资源供应的最佳平衡,即找到资源环境约束条件下土地资源能够供给人类农业生产和城镇建设等活动的适宜空间规模。土地资源多功能性的本底特征决定了国土空间开发的多宜性和多目标性[90],进而为不同开发利用方式及组合提供了不同的开发潜力及弹性空间。未来应强化人地关系理论、地域功能理论、土地多功能性理论对适宜性评价的基础支撑作用,深刻认知国土空间地域多功能复合特征,构建人地系统耦合的适宜性评价范围、目标与框架,加强评价结果与其支撑要素的结合,提出更具针对性、实践性及高效性的评价方法。
(2)形成多尺度适宜性评价的有效传导及反馈机制。理论层面,丰富省域及以上宏观尺度的评价研究,为国土空间功能分区提供案例支撑;重视村镇微观尺度的评价研究,为科学编制乡镇国土空间规划提供科学依据,有效服务乡村振兴战略;加强评价中时空尺度的融合和推演研究,探索构建跨尺度、多维度、全时相的评价理论与技术框架,解决评价过程中自上而下的尺度传导与自下而上的尺度推演难题,促进大尺度空间数据与高精度的小尺度评价高效融合。实践层面,按照“省级评价定类型、市级评价明关系、县级评价作补充”的步骤,构建结构完整、传导清晰、针对性强的“双评价”指标体系。明确省级评价的承载力约束底线,识别发展型潜力空间,拟定评价指标类型或方向。市级评价应实现对省级指标类的功能传递,补充特色指标并合理确定阈值,同时根据“双评价”关联逻辑明确指标关系,避免指标功能重叠,确保各指标的独特作用。县级评价指标应根据市级指标提升精度,核验上级指标的适用性与针对性,修正和补充省市级评价指标,形成指标建立、传导与反馈的闭环,有效支撑“三区三线”划定与国土空间规划科学编制。
(3)加强评价指标体系的精细化研究。① 坚持塑造高品质国土的评价导向,以中国自然区划、主体功能区划及经济区划等前期成果为基础,构建与《指南》有效接轨的评价指标体系准则层,牵引评价的基本盘与国家宏观开发建设目标保持一致,确保评价指标的方向性。② 关注区域发展的特殊需求和产业优势,重视区域发展定位。根据经济圈、城市群、经济区带规划等空间战略布局,因“带”制因、因“群”制宜、因“区”制宜地遴选和补充评价指标,使国土空间开发最大程度支撑经济区带或城市群释放经济动力,提升评价指标的有效性。此外,关注山区、高原、干旱区、石漠化区等复杂地理单元的评价研究,进一步探索自然单元评价结果对行政单元评价的支撑作用,合理拆解我国国土空间巨大差异,增强评价指标的适用性。
(4)构建国土空间开发适宜性智慧评价技术体系。信息时代带来的思维转型,加快了各学科智慧化研究进程,为国土空间开发适宜性评价带来新的发展机遇。未来应紧跟“智慧”社会建设步伐,进一步降低人工智能融入适宜性评价的技术难度与应用成本。进一步耦合RS和GIS技术开展信息挖掘、储存、计算及融合,注重人地关系信息的揭示,实现从提供土地覆盖数据向提供国土空间综合信息转变。全面采集社会感知数据,统筹构建资源环境、开发建设、社会经济等多源数据库,驱动适宜性评价大数据的生成与应用,为智慧评价提供更科学的技术支撑。
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